ตั้งอยู่ทางด้านขวาของอุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัย เป็นที่รวบรวมและจัดแสดงโบราณวัตถุที่ได้จากการขุดค้นทางโบราณคดีภายในเมืองสุโขทัยและที่ประชาชนมอบให้ ได้รับรางวัลดีเด่น รางวัลอุตสาหกรรมท่องเที่ยวไทย ครั้งที่ ๗ ประจำปี ๒๕๕๑ ประเภทแหล่งท่องเที่ยวทางวัฒนธรรมภาคเหนือ
พิพิธภัณฑ์แบ่งส่วนการแสดงเป็น 3 ส่วน คือ
1. อาคารลายสือไท 700 ปี เป็นอาคารใหม่ที่ตั้งอยู่ด้านหน้าทางเข้าอาคารใหญ่ เป็นที่จัดแสดงศิลปะวัตถุสมัยสุโขทัย อาทิ พระพุทธรูป เครื่องใช้ ถ้วยชาม เครื่องสังคโลก และศิลาจารึก
2. อาคารพิพิธภัณฑ์ แบ่งออกเป็น 2 ชั้น ชั้นล่าง จัดแสดงศิลปะโบราณวัตถุที่ได้จากการสำรวจ ขุดค้น ขุดแต่ง และบูรณะแหล่งโบราณคดีสุโขทัย ศรีสัชนาลัย กำแพงเพชร และ ชั้นบน จัดแสดงศิลาจารึกสมัยสุโขทัย พระพุทธรูปสำริด เทวรูป โอ่งสังคโลก เครื่องศาสตราวุธ เครื่องถ้วยชามสังคโลก เงินตรา ท่อน้ำและแสดงระบบชลประทานสมัยสุโขทัย
3. พิพิธภัณฑ์กลางแจ้ง อยู่ด้านนอกโดยรอบอาคารใหญ่ เป็นที่จัดแสดงศิลปะวัตถุต่าง ๆ อาทิ พระพุทธรูปศิลา แผ่นจำหลัก อาคารทรงไทยแบบต่าง ๆ เตาทุเรียงจำลอง และเสมาธรรมจักรศิลา เป็นต้น